Sociedad Mexicana deIngeniería Geotécnica, A.C.

XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica

Noviembre 14 a 16, 2012 – Cancún, Quintana Roo

Modelo Físico Reducido para Comprobación de Eficiencia como Método de Protección de Estructuras Hidráulicas de Regulación: Caso Santa Elena IIDevelopment of Scaled Physical Model to Evaluate Scouring Protection Efficiency in Dry Dams

Sergio TORRES1, Osiris VIDAÑA2, Servio DE LA CRUZ 3, Víctor HERNANDEZ 4

1,2,3,4Universidad Autónoma de Ciudad Juárez

RESUMEN: El objetivo de la presente investigación es evaluar, mediante el uso de un Modelo Físico Reducido (MFR), la eficiencia del gavión utilizado como un método alternativo de protección en estructuras de regulación, aplicado al caso de la estructura “Santa Elena II”, en Ciudad Juárez, Chihuahua. El MFR fue construido a escala 1:20 dentro de un equipo de simulación hidrológica en el laboratorio de hidráulica de la UACJ. La escala del gasto y de coeficiente de rugosidad de Manning se calculó utilizando los principios de semejanza de Froude. La elaboración y operación del MFR representó las condiciones actuales de la estructura y las del empleo de gaviones en el punto de descarga del agua. Ambos modelos se operaron con flujos representando la totalidad de la lluvia esperada para un año en la localidad. Mediante inspección física se registró la socavación para cada escenario. Como resultado principal, se detectó que la socavación en el escenario con gaviones representó en promedio el 26% de la socavación total que se presentó bajo condiciones actuales. La investigación muestra la posibilidad de emplear MFR´s para evaluar escenarios donde métodos numéricos están limitados a representar flujo hidráulico y también muestra la factibilidad de emplear gaviones para reducir socavación.

ABSTRACT: The research employs a physical model to evaluate the efficiency of gabion as an alternative protection method in dry dams applied to the study case of the dam known as Santa Elena II. The hydraulic structure is located in Ciudad Juárez, Chihuahua. The scale physical model was developed following a geometric scale of 1:20 and was formed into hydrologic simulation equipment in the Universidad Autónoma de Ciudad Juárez hydraulics laboratory. Flow rate and Manning’s rugosity coefficient were calculated under the Froude similitude principles. In order to evaluate the proposed modification’s efficiency, two models were elaborated to represent the current dry dam conditions and the dry dam with the gabion-based modifications. Each model was operated with flow rates simulating the total rainfall expected during one year in Ciudad Juárez. Scouring was monitored by physical inspection for each case. As the main result, average scouring in the gabion case was detected to be about 26% of the current condition’s scouring. This result showed the possibility of using physical models to evaluate cases in which numerical methods used to represent hydraulic flow are limited and also results shows the feasibility of employ gabion to alleviate scouring.

1 INTRODUCCIONDe acuerdo con el Plan Sectorial de Manejo

de Agua Pluvial (PSMAP), Ciudad Juárez, Chihuahua se encuentra dividida en ocho grandes cuencas. Una de ellas, denominada Zona VIII El Barreal, es el área de estudio de la presente investigación. Esta cuenca tiene la característica significativa de presentar un drenaje de forma endorreica, es decir, es una cuenca cerrada, y la mayoría de sus escurrimientos se concentran en una laguna intermitente ubicada ligeramente al norte de su porción central.

En el punto más bajo de la cuenca fueron construidos desarrollos habitacionales que se han visto afectados por las inundaciones producto del agua de lluvia escurrida de las partes altas de la cuenca y el mal funcionamiento de las estructuras de regulación emplazadas sobre las corrientes principales de la vertiente. Actualmente, se identifican seis obras hidráulicas de regulación, clasificadas según el PSMAP como bordos: Santa Elena I y II, Flourex, Charly I y II y Km 28.5 (Figura 1). Estas seis estructuras homogéneas, construidas con material del lugar, es decir arcilla, consisten en

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2 Título del trabajo

cortinas con desfogue de fondo y vertedor de demasías recubierto con mampostería.

A pesar de contar con estas obras hidráulicas en esta cuenca, se han identificado dos eventos significativos de riesgo a la población. El primero de ellos ocurrido en agosto de 2006, cuando la capacidad de operación normal (en términos de hidráulica el NAMO – Nivel de Aguas Máximo Ordinario) de las estructuras de regulación se vio rebasada, por lo que entraron en operación los vertedores de éstas.

Figura 1. Imagen satelital de las estructuras principales de la Zona VIII El Barreal (Fuente: Google Earth, modificada por el autor).

El segundo evento fue registrado en julio de 2008, cuando la capacidad de las estructuras de regulación se vio nuevamente rebasada, esta vez provocando el colapso de cuatro de ellas: Charly II, Km 28 y Santa Elena I y II. El colapso de la estructura Km 28 se debió a una ruptura en uno de los extremos de la cortina, mientras que la falla en las estructuras Charly II y Santa Elena I y II se debió a una fisura en la cortina ocasionada por la socavación de la losa del vertedor (de concreto en el caso de Charly I y Santa Elena II y de mampostería en el caso de Santa Elena I). Al presentarse la erosión hídrica en el suelo sobre el que estaban desplantadas las losas, éstas colapsaron (Figura 2). Cabe señalar que la falla del bordo Santa Elena II se debió también al colapso mismo del bordo Santa Elena I, ubicado aguas arriba del primero.

Los desarrollos habitacionales localizados aguas abajo de la cuenca, en 2006 se vieron afectados debido a la gran cantidad de agua escurrida proveniente de toda la cuenca. Estos desarrollos permanecieron inundados durante varios días, debido también a la prácticamente nula permeabilidad del suelo, hasta que se optó por extraer el agua haciendo uso de bombas y cisternas.

Esta contingencia causó pérdidas materiales a los habitantes de los fraccionamientos afectados.

Posterior al colapso de las estructuras de regulación con el evento ocurrido en el 2008, éstas fueron reconstruidas por la administración municipal en 2009. Su reconstrucción se llevó a cabo siguiendo un arreglo semejante al que tenían previo a la falla (vertedor y desfogue de fondo), y solamente se incluyó una capa de material de boleo distribuida a la salida de la rampa de descarga.

Figura 2. Colapso de losa por erosión

Esta capa de boleos se consideró para evitar la erosión debajo de la losa del vertedor, sin embargo no existe un análisis que demuestre su efectividad por lo que permanece latente el riesgo de que en un evento de lluvias extraordinario, el suelo de soporte de los vertedores se erosione y estos fallen de nuevo como ocurrió en 2008 en tres de las estructuras de la zona “El Barreal”: Santa Elena I y II y Charly II.

El mitigar o anular el riesgo de un nuevo colapso de las estructuras de regulación, representa una disminución en los riesgos a que se ve expuesta la población asentada aguas abajo de dichas obras hidráulicas, lo que significa una mejoría en la calidad de vida de más de 6,000 habitantes de la ciudad (INEGI, 2010). Para evaluar dicho riesgo, es necesario conocer el comportamiento de la estructura operando bajo las condiciones actuales y así mismo evaluar un método alternativo que alivie el problema de erosión para la proteger las estructuras de regulación.

Realizar este tipo de análisis por métodos numéricos es complicado, dado la gran cantidad de elementos y variables que intervienen en el comportamiento de éste tipo de estructuras. Sin embargo, realizar el análisis mediante un modelo físico reducido permitiría apreciar de manera más apegada a la realidad el fenómeno de erosión.

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(sólo poner primer autor, ver ejemplo) APELLIDO Inicial del nombre et al. 3

De este modo, el objetivo de presente estudio es evaluar, mediante el uso de un Modelo Físico Reducido (MFR), el empleo de gaviones como un método alternativo de protección en estructuras de regulación, aplicado al caso de la estructura “Santa Elena II”, en Ciudad Juárez, Chihuahua. Los gaviones forman parte de una estructura colocada posterior a la cortina con la finalidad de disipar la energía de los escurrimientos y con ello reducir o mitigar la socavación del talud menor. El análisis a través del MFR representa las condiciones de operación, tanto en su estado actual, con una capa de boleo, como del prototipo con las adecuaciones propuestas (gaviones).

2 METODOLOGÍA2.1 Construcción del modelo

El primer paso para la elaboración del modelo fue la selección de la escala a la que éste sería elaborado. Dado que el modelo fue construido dentro de un equipo de simulación hidrológica con medidas predeterminadas, se seleccionó una escala con la cual fuera posible construir la porción de la estructura de regulación que se deseaba analizar. La escala seleccionada fue 1:20. Como criterio de trabajo, se consideró construir únicamente la representación a escala de la porción de la cortina ocupada por el vertedor de demasías y el desfogue de fondo, en sentido transversal al flujo, mientras que en sentido longitudinal, la representación a escala se limitó al tramo comprendido entre la salida del desfogue de fondo y el límite de las rocas ubicadas después de la rampa de concreto.

Los materiales a recrear de las condiciones actuales en el modelo fueron, por una parte los de la estructura en condiciones actuales, consistentes en materiales pétreos (boleo que conforma una capa extendida superficialmente contigua a la descarga de la rampa de concreto), el material del que está construida la cortina, el que compone el suelo del lugar y el concreto de la rampa de descarga. Por otro lado, los materiales recreados para las condiciones de propuesta fueron los pétreos utilizados para la conformación de los gaviones, los materiales granulares de los que están compuestos el suelo y la cortina, y el concreto del que está fabricada la rampa.

Los materiales granulares involucrados en el estudio son el suelo del lugar y el material que conforma la cortina del dique. A ambos materiales les fue realizada una granulometría, a fin de conocer la distribución de tamaños de las partículas que los conforman. Una vez que se tuvo la distribución granulométrica de los materiales a escala, se elaboró para cada uno de ellos una curva granulométrica con la misma distribución de

porcentajes, pero con tamaños correspondientes a la escala que se utilizó para la elaboración del modelo. Con esta información se elaboró una nueva curva granulométrica de los materiales a escala (Figuras 3 y 4). Estas gráficas se utilizaron para preparar el suelo y el material granular de la cortina a escala para recrearlos en el modelo.

Del mismo modo que con los materiales granulares, con los pétreos se buscó una similitud geométrica. En el caso del boleo existente en el dique, se determinó en campo que el tamaño máximo y mínimo era de 50cm y 10cm respectivamente, lo que correspondió a la escala empleada en el modelo a dimensiones de 2.5cm y 0.50cm. Por lo tanto, para el material que compone la capa superficial extendida de boleo se utilizó grava con tamaño máximo de 2.5cm y mínimo de 0.475cm.

Figura 3. Granulometría del suelo real y a escala.

Figura 4. Granulometría de la cortina real y a escala.

Para el material destinado al relleno de los gaviones, se siguieron indicaciones proporcionadas por fabricantes de este tipo de elementos constructivos, las cuales mencionan que el gavión debe ser rellenado con boleo o roca fracturada con tamaño en el rango de 10cm mínimo y 20cm máximo (Maccaferri, 2010). Ajustando estas dimensiones a la escala del modelo, se utilizó material que pasó por la malla 3/8” pero que fue retenido por la malla #4, compuesto por grava pequeña o “gravilla”. Una vez recopilado este material se procedió a lavarlo, a fin

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0.00%

20.00%

40.00%

60.00%

80.00%

100.00%

120.00%

0.0010.010.1110100Tamaño (mm)

Granulometría del suelo

Granulometríareal

Granulometríaa escala (1:20)

0%10%

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0.0010.010.1110100

% p

asa

Tamaño (mm)

Granulometría de cortina

Granulometríareal

Granulometría aescala (1:20)

4 Título del trabajo

de eliminar el exceso del polvo que se genera al momento del triturado.

Para el caso de la selección del material que representara al concreto del que está construida la rampa de descarga en el modelo, fue necesario seleccionar un material cuyo coeficiente de rugosidad “n” de Manning ayude a cumplir la condición de λn = λ1/6 de acuerdo con el principio de semejanza de Froude (Martín, 2003), con lo que se establece que la rugosidad debe ser ajustada a 1:201/6, es decir, a una escala de 1:1.65. Puesto que el coeficiente estimado de la rampa real del prototipo está construida con concreto sin acabado, cuyo coeficiente de rugosidad se estima en 0.017 (Mott, 1996), el coeficiente de rugosidad correspondiente de acuerdo a la escala fue de 0.010, el cual se asigna a superficies lisas. Por esta razón, se optó por construir la rampa con material acrílico liso el cual cuenta con un coeficiente similar. La figura 5 muestra el modelo en condiciones actuales con los materiales seleccionados.

Figura 5. MFR de condiciones actuales.

Para la estimación del flujo con el que operaría el modelo, se elaboró un análisis hidrológico utilizando datos de precipitación y criterios de análisis establecidos por el PSMAP de Ciudad Juárez. El análisis fue elaborado para simular la precipitación total promedio de un año. Los gastos obtenidos en el estudio hidrológico fueron ajustados a la escala del modelo de acuerdo con la semejanza de Froude, que establece que la relación de gasto es λQ = λ5/2. La Figura 6 muestra el hidrograma elaborado para la ejecución del modelo.2.2 Operación del modelo

El modelo fue ensayado en dos fases diferentes. La primera consistió en el ensaye representando las condiciones actuales, es decir, con la cama de boleo a la salida de la rampa. El espesor empleado para la capa de boleo fue un 1m en su respectiva escala.

La simulación de la otra fase de ensaye fue aquella en la cual el modelo contaba con gaviones. Para esto se sustituyó la capa de boleo con un colchón de gavión de igual superficie en planta y de igual espesor tal como se muestra en la Figura 7.

Figura 6. Hidrograma elaborado para la ejecución del modelo.

Figura 7. MFR considerando gaviones

Durante la operación de ambos modelos se llevó a cabo una monitoreo continuo para registrar la socavación a lo largo del tiempo de operación de cada modelo.

3 RESULTADOS

La socavación registrada correspondió a la de mayor longitud, la cual se presentó en dirección perpendicular al borde de la rampa. Las tablas 1 y 2 muestran los resultados obtenidos para los modelos en condiciones actuales y en condiciones modificadas respectivamente.

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0.0000.2000.4000.6000.8001.0001.2001.4001.6001.800

4/20

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1 0:

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4/29

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1 0:

00

Gast

o (lp

m)

Tiempo (m/d/a hh:mm)

Q salida modelo (lpm)

(sólo poner primer autor, ver ejemplo) APELLIDO Inicial del nombre et al. 5

Tabla 1. Registro de socavación en condiciones actuales.

Tiempo (horas) Socavación mayor (mm)

24 35.048 42.072 45.0120 50.0144 55.0168 59.0

Tabla 2. Registro de socavación en condiciones modificadas.

Tiempo (horas) Socavación mayor (mm)

24 9.048 10.072 12.0120 14.0144 15.0168 16.0

4 ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

Los resultados de socavación de los dos ejercicios fueron comparados de manera gráfica y numérica. Con el apoyo de fotografías se elaboraron los diagramas de las huellas de socavación total para cada uno de los escenarios. La figura 8 muestra la sobreposición de los diagramas de socavación monitoreados de ambos ejercicios, con la intención de hacer una comparación visual de la socavación en cada uno de los casos. Cabe aclarar que la línea cercana al borde de la rampa corresponde a la huella de socavación del escenario de los gaviones. La imagen muestra como durante el mismo periodo de tiempo y flujo, el empleo de gaviones genera una huella de socavación menor que la generada con el empleo de una capa de boleos. Además se puede observar que la socavación no se presenta de manera simétrica, contrario a lo esperado bajo un análisis numérico. Respecto a la socavación perpendicular al borde de la rampa, la tabla 3 muestra la comparación de la de cada uno de los casos representados mediante los modelos durante el tiempo que estuvieron expuestos al flujo. Se puede observar que la socavación promedio manifestada en el escenario con gaviones representó solo el 26% de la socavación total que se presentó con las condiciones actuales.

Figura 8. Diagramas de huellas de socavación

Tabla 3. Registro comparativo de socavación

Tiempo (horas)

Socavación condiciones actuales(cm)

Socavación condiciones propuestas(cm)

Comparación proporcional

24 3.5 0.9 26%48 4.2 1.0 24%72 4.5 1.2 27%120 5.0 1.4 28%144 5.5 1.5 27%168 5.9 1.6 27%

La Figura 9 muestra la gráfica del progreso comparativo de socavación para ambos casos. De esta grafica se observa que el patrón de comportamiento de socavación con respecto al tiempo es semejante en ambos casos. Durante las primeras 24 horas de flujo la socavación tuvo una velocidad alta y posterior a este periodo su velocidad bajó considerablemente. Esto indica la certidumbre de que ambos modelos representaron de manera correcta las condiciones de operación de la estructura de regulación y que la diferencia de socavación, en la cual la opción de gaviones fue menor, se debió de manera directa al desempeño de los elementos y características específicas de cada una de las opciones empleadas en la evaluación.

Figura 9. Gráfica de socavación con respecto al tiempo.

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01234567

0 50 100 150 200

Soca

vaci

ón (

cm)

Tiempo de simulación (horas)

Progreso de la socavación

Condicionesactuales

Condicionesde propuesta

6 Título del trabajo

5 CONCLUSIONES

La investigación muestra la posibilidad de emplear MFR´s para evaluar escenarios donde métodos numéricos se ven limitados a representar flujo hidráulico en obras hidráulicas donde intervienen múltiples características de los elementos que la componen y sus diversas variaciones tal como el caso analizado donde se evaluaron dos variaciones como medida de protección a la socavación de la estructura. De acuerdo con lo mostrado por los MFR’s, la socavación fue menor al incorporar una capa gaviones distribuidos a la salida de la rampa de descarga de la estructura. De este modo, el empleo de MFR’s muestran ser una herramienta para evaluar escenarios de socavación proporcionando una sencilla y directa interpretación de resultados que permita valorar el impacto del uso de las alternativas comparadas lo cual proporciona elementos adecuados para que los organismos o entidades administradoras de estas estructuras, tomen las decisiones adecuadas para eliminar riesgos de falla de operación de la estructura..

6 REFERENCIAS

IMIP (2004). “Plan Sectorial de Manejo de Agua Pluvial”, No publicado.

Martin J. P. (2003). “Ingeniería de ríos”, Alfaomega: México, D.F.

Mott R. L. (1996). “Mecánica de fluidos aplicada”, Prentice Hall Hispanoamérica: México.

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